电容检测在精密播种领域的应用及展望

朱 亮， 王关平， 孙 伟， Sokouri Kevin Jean Cyrille， 王成江

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

得益于电子技术、传感技术及计算机测控技术的快速发展，农业生产方式逐步从粗放式耕种向精密型播种转变。排种监测是精密播种中至关重要的环节，目前精密播种系统的漏播检测主要有光电检测法、机器视觉法、压电效应法及电容检测法等方法。光电检测法及压电效应法将大籽粒作物的运动转化为电平信号的跳变，通过控制器对播种情况进行检测，但在田间尘土飞扬、机械振动较大时，其准确度易受影响；机器视觉法采用高速摄像装置和MATLAB或OPENCV等图像工具包进行实时处理；电容检测法是当前精密排种器所采用的新型漏播检测方法，其利用物体通过极板时对介电常数产生的扰动进行排种状况的监测，可靠性高、抗污染能力强，同时也是一种非接触式测量方案。本文主要介绍电容式传感器在大籽粒作物排种检测中的研究状况，论述其关键技术，展望其发展方向。

1 国内外研究现状

排种监测的主要目的是通过对播种过程中种子状态的实时监测进行漏播补偿、产量预测等工作，当前排种监测系统以光电法构建为主，经过国内外数十年的研究，其技术已经趋于成熟[1]。如为提高光电监测设备的可靠性，国内外进行了大量研究。德国DLG农业中心研制了一种抗尘型光电传感器[2]，美国的CYCLO-500型精密播种机[3]采用了红外式光电传感器，在一定程度上解决了室外光照环境对播种机检测装置带来的影响。国内学者冯全等[4]对光电式检测电路进行了重新设计，选用高速运算放大器将光电传感器固有的背景电压信息与脉冲电压进行分离，然后再对分离后的脉冲信号进行放大，从而提升了系统的信噪比，使得其检测装置的田间工作稳定性提高。虽然光电检测的准确率已经能够支撑系统的基本运行，然而由于田间作业时设备处于高尘、高振动等恶劣环境中，系统检测可靠性难以得到保障，且光电检测系统的维护工作量较大，维护技术要求较高。

为了避免上述光电传感器的固有局限性，国内外学者将电容测量技术引入排种质量监测中。该检测方法的核心是利用一定的空间安置特定形状的电容极板，使待测种粒作为介质通过这一区域，待测区有、无种粒(或种粒多、少)时会影响其电容值的变化，从而感知种粒在待测区的状态。作为非接触式传感器的一种，电容传感器具有结构简单、成本低廉、灵敏度高、抗污性强且动态响应好等特点，使其更适用于恶劣环境。

目前，国外对电容式排种检测的研究相对较少，且监测仅针对导种管的空、堵状态，而针对精密播种监测的应用较少，但对电容物料检测相关领域的研究较为深入。Kumahala等[5]针对青饲料的流量监测，设计出一种平行板电容器，采用27 MHz振荡电路将电容变化转变为频率变化。其试验结果表明，被测物料的质量与传感器输出信号线性相关系数达0.95，同时还发现物料含水率和压实程度对信号有明显影响，而物料品种对输出结果影响较小。为了检测甜菜与马铃薯在传送带上的物流量信息，Kumahala等[6]对传感器安装方式进行了重新设计，理论分析与现场试验均证明物料质量与输出信号具有显著相关性。为检测螺旋输送器中固体物料流量，Fuchs等[7]设计出一种多极板电容传感器，并采用有限元分析的结果对电容传感器性能进行了优化。为增强对待测区域内物料信息探测的准确率，Williams等[8]对多极板式电容传感器进行了仿真试验，结果表明可通过感知电容值及其变化而获得传送带物料含量的相关信息。

国内对电容式物料检测研究起步虽晚，但因我国人均耕种面积较少，对精准农业的研究事实上更为迫切，这使得我国在电容式排种监测领域的研究更为广泛和深入。周利明等[9]于2009年开始将电容监测应用于精密播种领域。张小勇[10]利用MS3110研发出了pF和fF级别的电容检测系统，以提高电容检测精度。为增加玉米播种机排种监测的可靠性，周利明等[11]依据玉米的介电特性，使用电容转换芯片MS3110及AD7685设计出了高精度电容检测电路，通过对玉米在排种机内的运动学分析，采用电容脉冲积分算法，可以检测出排种量、漏播量以及重播量等参数，其样机对单粒玉米种子的检测精度为97.3%，可有效监测机具的排种性能，提高播种作业质量。为研究不同造型极板对排种电容信号的监测效果，田雷等[12]对两粒相邻种子的下落速度与时间进行了分析计算，并设计出对置式、E型与三极板差动式传感器，以AD7151作为核心设计出了微小电容检测电路。分析及试验结果均表明，采用E型极板的检测装置相较于另两种极板可以实现更好的检测效果。为进一步研究极板造型对监测准确性的影响，田雷[13]使用ANSYS对三种不同极板进行了仿真分析，并对其设计的电容极板进行优化，最终试验表明，采用四片E型极板进行监测时的综合准确率达96.1%。

为获得更高的采样速率及精度，国内学者展开对高速率电容采样芯片PCAP系列的应用研究。相较AD7746和AD7747的复杂校准机制与较小的测量范围，PCAP系列电容传感器克服了其普遍存在寄生电容的缺陷，同时使得电路更加简单实用。周利明[14]通过试验建立了籽棉含水率、质量、流量之间的多元回归模型，采用PCAP01搭建电容检测系统，采用脉冲识别寻峰算法对籽粒的运动进行检测，实现了对籽粒播种间距、漏播及重播的检测。为避免外部环境对检测系统造成的干扰，王海等[15]采用ADUM1400ARW磁耦合器及TLP281-4光耦合器对PCAP01及其外部电路进行了电气隔离，并将卡尔曼滤波引入数据处理中。台架试验表明，系统可有效滤除噪声的影响且延迟较小。

针对电容传感器采样受温度及寄生电容影响的问题，许健佳等[16]研发了一款基于PCAP02的电容检测系统，其利用芯片内置的传感器进行温度补偿，设计电路配合传感器可克服寄生电容的影响。经测试，其线性度、测量精度及实时性都能达到较高水平。据此，刘坤[17]设计了基于GA-RBF(遗传算法改进型神经网络)矫正法构建的电容传感器非线性校正模型，利用遗传算法对网络结构参数进行优化，解决了传统RBF(径向基神经网络)易陷入局部极小值的问题。

为解决专用电容测量芯片存在的测量周期长、实时性较低等问题，国内学者采用多谐振荡器及运算放大器设计出不同的检测电路，效果都很好。周利明等[18]采用Max038芯片以及环形铜质电极构建了籽粒运动监测传感器，可实现对种箱排空以及排种管阻塞造成的漏播进行报警。周云龙等[19]对交流激励微小电容检测进行了理论分析与试验，设计出使用运算放大器搭建的交流法C/V转换电路，其电路分辨率为0.194 fF，稳定性达2.59×10-5pF/h。李晶等[20]利用电容传感器的边缘效应设计出非平行极板电容检测电路，以避免外界干扰；采用差分放大电路提取有效信号并对其进行调幅、解调及低通滤波。试验表明，设计的C/V转换电路在10 kHz正弦波作用下，灵敏度可达100 mV/pF。

2 关键技术分析

采用电容传感器的大籽粒作物检测系统涉及到材料学、传感技术、信息处理等学科，其传感器设计与排种监测主要包括以下若干关键技术。

2.1 感知系统

电容传感器极板作为电容式大籽粒作物播种监测的关键器件之一，主要配合电容采集芯片来获取待测区域介电常数变化而诱发的电容值变化，从而达到感知物料的目的。在传统电容采集应用中，常采用两平行极板构造，但其初始电容较小[21]。为增大初始电容且保持原有体积，国内学者采用了复杂极板构造，并对其进行了ANSYS仿真优化设计[22]。国内排种及物料电容检测常采用对置式、三极差动式、双E型式极板[23]。通常，对置式极板依据传统电容传感器进行设计，因其初始电容较小，对作物籽粒难以进行精确监测，常用于排种管堵塞检测。三极板差动式传感器以中间极板为基准，与另两块极板构成检测电容与参考电容，采用差分放大电路对检测电容与参考电容信号进行提取，可有效抑制环境对电容信号的干扰。而E型极板式电容传感器采用同面多电极技术及单片复杂结构电极技术进行设计，同体积情况下，基础电容较大，灵敏度较高，可实现高精度采样及快速测量，在作物籽粒检测中常采用双E型或四E型检测系统对待测区域进行测量，以保证较高的可靠性。目前，国内外学者仍在探索适用于微小电容检测的极板设计，如浙江大学周颖[24]采用电容耦合式非接触电导测量技术，设计出五电极和三电极的C4D传感器，其电导相对误差分别小于6%和5%。国外学者Noltingk等[25]设计出一种环形电容传感器，其灵敏度可达同面积对置式传感器的10倍之多。

2.2 信号处理系统

信号处理系统将传感系统采集到的原始电容模拟量转化为数字量，国内常见研究方向可分为通用型、高速型及分离型电容采集方式三种。通用型电容采集主要采用AD7151、MS3110、HT133、PS021等微电容处理芯片，这类电容检测芯片的测量周期较长，无法满足高速排种作业要求。而德国Acam公司生产的PCAP系列芯片，其01型可以在5×105次/s的速度下实现21bit的测量精度，同时可对寄生电容进行补偿；02型则在其基础上增加了温度补偿功能，使其适用性更广。分离型电容采集方式伴随复杂结构电容传感器而兴起，采用跨阻放大、充放电、电荷转移及交流电桥等方法设计出不同的分立式测量电路以适应复杂结构电容的测量需求。

随着对电容信号采集的研究不断深入及单面电极式电容技术的发展，设计出专用IC(集成电路芯片)将分立型器件集成到同一芯片内并与传感器进行封装成为当前的主流研究趋势，如电子科技大学白利[26]采用模/数混合方法，设计出多周期同步瞬时频率测量电路，在XC2S200验证后，通过Synopsys的ASIC开发环境进行芯片版图设计。

2.3 检测算法

检测算法在电容式大籽粒作物及物料检测中相当于人的大脑，其中算法的优劣决定了整套系统的性能。在电容检测应用初期，检测系统仅对排种管是否堵塞进行监控，常用的算法有固定阈值法与可调阈值法。固定阈值法通过预先对系统进行测试，获取相应的传感器阈值数据，将其写入处理器中，运行时依照预先设定阈值进行工作。这种方式较为呆板，且易受温度及湿度变化的影响，系统的灵活性和可靠性都较低。可调阈值法则在每次运行前，首先采集当前环境下的排种管满、空心电容值信息并进行记录，在此基础上校准阈值，这种方式在一定程度上避免了因环境问题造成的检测误差。随着研究的深入，其他诸如检测播种数、播种间距以及漏播等信息也成为关注的焦点。由于电容式传感器输出信息的离散性较大，Morlet[27]提出了小波变换理论并将其应用于数字滤波中。赵春江等[28]提出了一种基于模糊逻辑的数字滤波算法，可以实现分布式噪声的滤波。依据电容式传感器所采集的介电常数变化规律，国内外学者依据谱信号的单峰、重叠峰、噪声特征等，将反卷积、导数寻峰等谱信号处理算法引入当中，准确地获得了种子下落时所产生的介电常数变化峰值，进而准确得到种子在排种管中的运动信息。

3 电容检测技术在超大籽粒排种监测中的应用

超大籽粒作物虽然品种不多，但其在精密播种方面实则要求更高。这是由于超大籽粒作物一般播种间距较大，即使是发生单粒漏播，外在表现也会非常突出。马铃薯漏播率为5%左右，但对于中国、印度等人均可耕地面积较少、该作物已成为事实上主粮作物的国家来说，这种由于漏播而造成的先天性减产不容忽视。

当前马铃薯排种方式以勺链式为主，但勺链式播种装置受其工作原理制约，会产生因薯种漏取而导致漏播的现象，从而造成先天性产量降低。为降低勺链式排种装置因漏取而造成的漏播，张晓东等[29]提出了采用红外对射光电传感器进行种薯漏播检测的思想。在此基础上，孙伟等[30]提出了以定位模块、测薯模块及ATmega16单片机为核心的击打式快速补种系统，采用霍尔元件对薯勺进行定位，基本解决了单光电检测系统薯勺定位精度低的问题。王关平等[31]则提出了一种以干簧继电器触发红外检测、采用窝眼轮式排种实施补偿的方案，但该方案需要采用一致性较好的原原种，且存在补偿种薯易被夹伤的风险。为解决光电式传感器易受强尘、振动及日光干扰等问题，中国农业大学牛康等[32-33]提出了一种基于电容式传感器的勺链式马铃薯播补一体化方案，采用对置式极板进行排种监测，其主要由电容传感器、屏蔽壳、AD7745构成。电容传感器采用铜质极板制作，采用可调阈值寻峰算法对有无薯种进行检测，且支持温度误差补偿。田间试验证明其检测精度符合设计要求。

4 存在问题及展望

随着精确农业概念的深入人心，传统的光电式排种监测系统难以适应精密播种技术的迫切需求。为此，国内外学者及工程技术人员基于电容检测方案进行了多方位探索，已取得长足的技术进步。然而，相较于传统工业领域电容式检测应用的深度、广度和技术的成熟可靠性还存在相当大的差距，主要表现在以下几个方面。

4.1 极板

为解决传统型电容传感器对置式极板初始电容小、作物检测灵敏度低等问题，国内外学者对极板结构进行了改进，但其研究大多为E型极板或三极型差分极板。研究表明，极板外形对电容信号采集有重要影响[34-37]。工业领域中，已出现诸如复杂电极结构、电容超声传感器、同面电极等领域的相关研究。针对多籽粒精播装置因极板结构设计而导致的检测不灵敏问题，可采用有限元分析对极板以及籽粒进行建模仿真，从工业领域吸取较为先进的设计理念，设计出专用型参数最优极板。

4.2 采集芯片

精播检测领域大多使用芯片为ADI(亚德诺半导体)的通用型电容检测芯片，该芯片不具备温度及湿度补偿系统，且受制于其检测原理，采样速率较低，检测方案的偶发性误差较大，为程序的设计带来了困难。虽然国内学者为了提高检测性能，采用了PCAP系列芯片，但其价格昂贵，高分辨率模式下采样率依然难以满足高速采样要求。这些专用芯片并未针对农业领域进行优化，今后可设计专用IC与电容传感器极板相集成，实现数字输出，提高产品可靠性，从而降低因系统连接产生的误差。

4.3 检测算法

当前针对电容式检测采用的算法依然较少，因其采用的主控制器性能较低，研究大多采用固定阈值算法或可调阈值算法，使得检测系统适用性欠佳。对于电容检测算法，采用卡尔曼滤波或EMD分解IMF小波阈值法均可获得较为平滑的电容变化曲线，之后采用二阶导数或反卷积法可获得曲线中变化的单、双峰，可实现精播质量及漏播事件的判定等目的。农业工程领域的特色是多学科融合，如将工业或数学领域的先进算法引入，可显著提高设备性能，如采用神经网络对电容传感器的非线性进行矫正，采用遗传算法进行网络结构的优化等均可能产生更精确的测量结果。